БІОФІЗИКА РОСЛИН - Ю. І. Посудін - 2004

IІ. ПРОЦЕСИ ПЕРЕНОСУ В СИСТЕМІ РОСЛИНА-ҐРУНТ-ПОВІТРЯ

8. ПЕРЕНОС МАСИ ЧАСТИНОК

Частинки - це окремі порції твердої, рідкої або газоподібної речовини, розміри яких перевищують 1 нм. Особливе місце серед частинок займають аерозолі - дисперсні (колоїдні) системи, що складаються з частинок розмірами від 10^-5 м до 10^-7 м та газового середовища, в якому вони знаходяться у завислому стані. Основним джерелом біологічних аерозолів є рослини, які постачають в атмосферу спори і пилок. Останні поширюються завдяки повітряним потокам. До біоаерозолів слід віднести також віруси, бактерії і частинки комах. Усі вони здатні провокувати захворювання та алергічні реакції людей, виливати на тварин і рослини. Крім того, ці аерозолі відіграють роль центрів конденсації і, отже, випиватимуть на процеси утворення хмар. Джерелами біоаерозолів є також сільськогосподарське виробництво, муніципальна активність та численні водойми. Розміри аерозолів біологічного походження коливаються в межах: віруси - 0,005-0,25 мкм; бактерії, спори - більше 0,5 мкм; пилок- більше 5 мкм; уламки рослин, частинки комах, епітелію людини і тварин - близько 1 мм. Концентрація біологічних аерозолів залежить від конкретних умов; так, у зоні стічних вод їхня концентрація становить 10⁴—10⁵ см^-3; у повітрі міста - 7500 см^-3; в атмосфері парку - 290 см^-3. Основні Методи вимірювання параметрів аерозолів (розмірів, розподілу за розмірами, кількості та швидкості руху) детально висвітлені в роботі [Посудін, 2000; 2003].

Розглянемо частинку масою т і густиною р, занурену у рідке середовище з густиною р_n. На цю частинку діють гравітаційна сила:

яка направлена донизу, і архімедова сила.

яка направлена догори і чисельно дорівнює вазі m₀g рідини, що виштовхнута частинкою. Тут V - об’єм частинки. Результуюча сила дорівнює.

Якщо ρ < ρ₀, результуюча сила направлена догори (процес випливання); якщо ρ > ρ₀, результуюча сила направлена донизу (процес седиментації).

У той же час рідке середовище характеризується в’язкістю (внутрішнім тертям). Розглянемо випадки, які залежать від співвідношення між радіусом частинки r, довжиною вільного пробігу lмолекул газу та числом Рейнольдса Re.

а) r > λ, але Re = 2rV/v < 0,1 (тут V — швидкість руху частинки, v — кінематична в’язкість). У цьому разі для частинки сферичної форми радіусом r сила опору, обумовлена в’язкістю, визначається за законом Стокса:

де η - коефіцієнт внутрішнього тертя (динамічна в’язкість η = ρv) і швидкість седиментації визначиться так:

б) r > λ, але Re = 2rV/v > 1. У даній ситуації домінує опір форми, а сила опору дорівнює:

де S - площа перерізу частинки, ρ - густина газу.

У такому разі баланс сил, що діють на частинку, розраховують за формулою:

Для біоаерозолів ρ > ρ₀, тому останнє рівняння можна переписати так:

Звідси швидкість седиментації частинки становить:

де v- кінематична в’язкість.

Залежність швидкості седиментації для рослинних частинок від радіуса r та числа Рейнольдса Rе_ч при густині частинки ρ ≈ 10^-3 кг·м^-3 наведено на рис. 8.1. Видно, що для значень Rе_ч < 0,1 (r =30 мкм та V_сед =0,1 м·с^-1) виконується закон Стокса.

Рис. 8.1. Залежність швидкості седиментації для рослинних частинок від радіуса r та числа Рейнольдса Re_ч при густині частинки ρ = 10³ кг·м^-3.

Контрольні запитання

1. Дати визначення частинкам та аерозолям.

2. Які сили діють на частинку, занурену у середовище?

3. Сформулювати закон Стокса.

4. Від чого залежить швидкість седиментації рослинних частинок?